在開發新的電子系統時，設計人員需要做出各種決定。最關鍵的一個決定是選擇系統架構和實現的芯片。這些組件發揮著關鍵功能，當前的選擇也十分寬范，因此錯誤的決定可能意味著市場上的失敗。

如果你恰好讀到這篇博文，那么你可能已經熟悉現場可編程門陣列（FPGA）以及相應的替代芯片類型。我認為對比一下FPGA 與其主要競品——微控制器（MCU）之間的一些關鍵差異將有所裨益。

使用FPGA設計的主要優勢

使用FPGA進行設計的最大優勢是它們的可編程架構，設計人員可以對其快速編程（和重新編程），執行幾乎所有功能。你可以將這種結構想象成許多微小的可編程邏輯“島嶼”（單元）漂浮在可編程互連的“海洋”中。每個邏輯單元都包含一些組合邏輯和一個寄存器，并且每個單元都可以通過編程來執行所需的功能。

同時，可編程互連可用于連接FPGA的通用輸入/輸出（GPIO）和所選邏輯單元的輸入和輸出（I/O），并將邏輯單元之間相互連接。此外，可以對GPIO組（bank）進行編程來支持不同的電氣接口、輸入阻抗和輸出轉換（邊緣）速率。

FPGA的可編程結構能以大規模并行方式實現數據處理算法。例如，假設一個算法需要對一些相似的數據執行100次加法。FPGA可以配置為在同一時鐘沿同時執行所有這些操作。要么在同一時間段內執行100次計算，要么以1/100的時鐘頻率執行相同數量的計算。

這種固有的靈活性有助于加快FPGA應用設計的上市時間，因為可以在最終確定系統設計的同時決定或更改集成的FPGA的功能。這種可重新編程的特性還能讓開發人員通過軟件更新來更新或更改FPGA的功能，從而延長FPGA（以及使用它們的系統）的生命周期。

使用MCU設計的主要局限性

MCU設計的思路不同。一旦硬件平臺建立起來，芯片的功能就確定了，接下來就是軟件開發人員的工作，他們使用C或C++等編程語言來完成他們的設計部分。隨后，C/C++源代碼傳遞給編譯器，編譯器生成將由MCU執行的機器代碼。

雖然MCU非常擅長執行決策任務，但大多數MCU底層的馮諾依曼架構在執行許多數據處理算法方面效率低下。這是因為該架構的工作方式是從內存中檢索指令、解碼該指令、獲取數據（如有需要）、執行指令并存儲結果（如有需要）。當然，這只是高度簡化的描述，但大抵如此。最終結果是MCU按串行順序（一個接一個）執行操作。在MCU上實現DSP需要執行的大量操作還需要高速系統時鐘，這會大大增加應用的功耗。

較早的系統架構一般同時使用MCU和FPGA，MCU提供決策功能，FPGA執行計算密集型數據處理。在更先進的系統架構中，工程團隊則利用FPGA固有的靈活性和性能優勢，完全取代MCU，并將決策和數據處理任務整合到FPGA中，大大減少了物理設計占用空間，同時降低功耗。

工程師可以在FPGA中使用“軟核”MCU來實現這種設計，MCU的功能在可編程架構中實現。FPGA還可能包含直接在芯片中以“硬核”實現的各種功能，包括SRAM、非易失性存儲器、DSP、PLL、時鐘管理器和SERDES模塊。

編輯：jq